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地震研究:板塊間看臺灣地震

對居住在臺灣的人而言,地震不僅是天災,更是夢魘。面對時而翻滾的地牛,我們不能只是擔心受怕,或祈求神明保佑,應該從板塊運動的科學理論中,找尋到地震的來源,並謀求對策。
 
 
 
「九二一大地震來襲時,不少南投人驚嚇過度躺在地上,哀嚎呼叫,以為世界末日來臨,不及逃生而葬身家園瓦礫堆中。」

「集集大地震後,民眾生存在恐懼之中。由於餘震不斷,許多民眾不敢回家睡覺。連日來坊間又傳出大甲媽祖發爐:有一波波的大地震將繼續發生。繪聲繪影中還要民眾利用艾草等物品驅邪。由於傳言遍及全省,引發恐慌,……」
 
—摘自民國八十八年九月二十五日中國時報

 
世紀末的集集大地震給臺灣帶來慘痛的災難,不但奪走了兩千多人的生命,也摧毀了許多人的事業和財產。除了有形的損失之外,還有難以估計的精神傷害。每個人在驚嚇之餘,內心都蒙上了一層陰影,時時惦念著「地震還會不會來?」。

會的!從地質學的觀點來看,地震是岩盤破碎時所產生的震動,是地球生命力的自然表現。臺灣位於活動的板塊邊界上,是島弧和大陸碰撞的焦點,碰撞所產生的巨大壓力,不但推擠出一道高聳的山脈,也壓得岩盤不斷地破裂,地震因而隨之發生。在過去二十多年中,臺灣每年有近千次的有感地震,5級以上的地震年年發生。在集集大地震後的一年內,有感地震更高達三千次以上,其中6級以上超過十次。這些旺盛的地震活動,充分顯示臺灣的造山運動仍十分活躍,岩盤還持續破裂。我們身處如此動盪的地質環境中,想要地震不發生是不可能的,只有心平氣和地接受大自然的安排,勇敢去面對它。

「要面對它,就要了解它」。雖然臺灣的地震頻繁,但震央並非無所不在,它的分布和規模有脈絡可循,我們可以從板塊的構造和運動方式,配合地震和地質資料來加以探索。

板塊構造

臺灣位於兩個板塊的交界上。東南方有菲律賓海板塊,西北方則是歐亞板塊。這兩個板塊的邊界從北方的琉球海溝劃過臺灣,向南延伸到馬尼拉海溝。

從一千五百萬年前開始,菲律賓海板塊就不斷地朝西北方向移動,如今仍以每年7~8公分的速度,向著歐亞板塊邁進。在臺灣的東北方,菲律賓海板塊的西緣沿著琉球海溝俯衝到歐亞板塊之下,形成一道向西北傾斜的隱沒帶。在臺灣南方,板塊的隱沒方向相反,歐亞板塊向東隱沒到菲律賓海板塊之下。這兩套隱沒帶的上方發展出琉球和呂宋兩個島弧系統,分別延伸入臺灣,在臺灣北部交會。

由於菲律賓海板塊的比重在3.3~3.7之間,比地球深部地函的比重(3.3)高,因此,當菲律賓海板塊隱沒入地函時,就像一片鋼板沉入泥水中,沒有任何困難。但歐亞板塊不同,在中國大陸和緣海地區,它的上部蓋了一層大陸地殼,比重在2.7左右,比地函輕上許多。因此,當中國大陸向東隱沒到呂宋島弧之下時,板塊上部的大陸地殼就像一片木板插進泥水裡,受到浮力的阻礙而無法深入。這時大陸地殼就會被堆疊在隱沒帶的上方,一部分被擠壓抬升成臺灣的中央山脈,另一部分墊在呂宋島弧北段的下方,把島弧抬升成臺灣的海岸山脈。這種山脈的形成過程,就好像呂宋島弧撞進了中國大陸邊緣,因此,常被稱為「弧陸碰撞」。

弧陸碰撞並非今日才有,早在五百萬年前就已開始。由於呂宋島弧大抵呈南北走向,而大陸邊緣則沿東北-西南方向延伸,因此,呂宋島弧是北端先撞上大陸邊緣,而後碰撞作用再由北向南傳遞。如今在臺灣中部和南部,呂宋島弧仍在推擠大陸邊緣;但在臺灣東北部,板塊的隱沒方向已經反轉,碰撞造山運動停止,琉球島弧的火山和隱沒作用已然浮現。

地震活動

臺灣地區的地震活動和板塊的邊界有密切的關聯,這一點,我們可以從地震的分布狀況看出。在遠離板塊邊界的地區,如菲律賓海板塊和歐亞板塊內部,地震活動非常少;但在板塊的邊界附近,就有密集的地震。這些地震顯然和板塊的隱沒與碰撞有關,它們的特性可以分別從琉球島弧、呂宋島弧和臺灣碰撞帶三區來了解。

在琉球島弧地區,菲律賓海板塊正向北隱沒。順著向北下插的板塊,有一系列的地震活動從地表延伸到300公里深處,形成一明顯的班尼奧夫帶。這條地震帶向西伸進臺灣,潛伏在臺灣東北角的下方(板塊隱沒和地震分布圖的D-D' 剖面)。在隱沒帶的上方,歐亞板塊內也有不少淺層地震活動。這些地震多來自弧前地區的板塊摩擦,或者和弧後地區的沖繩海槽擴張有關,震源深度多小於50公里。

在呂宋島弧地區,歐亞板塊正向東隱沒。順著下插板塊也有一條向東傾斜的地震帶,從地表延伸到250公里深處(A-A' 剖面)。這條地震帶從呂宋島向北延伸,潛伏在綠島、蘭嶼和臺灣南端之下(B-B' 剖面)。在隱沒帶的上方,菲律賓海板塊內也有許多淺層地震,反應板塊受到擠壓而破碎,震源深度多小於40公里。

在臺灣,尤其是中南部,呂宋島弧正劇烈地衝撞大陸邊緣。碰撞的橫向壓力把臺灣的岩盤擠得支離破碎,造成密集的地震(C-C' 剖面)。在臺灣東面的菲律賓海板塊也受到碰撞擠壓而破裂,產生不少地震。這些地震震源大多分布在板塊的中上部,深度多小於50公里。至於在地函深處,由於碰撞作用的阻礙,歐亞板塊似乎難以繼續向下隱沒,板塊下部甚至可能斷離。因此,伴隨隱沒板塊的班尼奧夫帶在這地區完全消失,全區沒有深部地震。

對居住在臺灣島上的人而言,琉球和呂宋地區的地震雖然不少,但由於距離較遠,影響有限;發生在臺灣島上的地震,則直接衝擊到我們的生活環境,不可不慎。從上述的板塊構造分析中,我們了解臺灣除了東北角和最南端外,地震活動都和弧陸碰撞有關。弧陸碰撞好比推土機堆雪,海岸山脈可視為推土機,中央山脈則是雪堆,當推土機向前推進時,雪會不斷地從前方插入雪堆,墊在雪堆底部,因此雪堆的前端和底部變形得非常劇烈。相對而言,雪堆內部的變形反而不大,只是不斷地被墊高。不過在雪堆的後背和堆土機之間,則因摩擦而產生變形。

臺灣岩盤的變形狀況就像一個雪堆,特別集中在中央山脈的前端、後背和底部。通常,變形大的地方岩層最容易破碎,地震也最多。我們從過去一百多年來的地震紀錄中可以發現,中央山脈兩側的地震的確特別多,尤其是大地震。例如,一九九九年的集集大地震發生在山脈的西前端,一九五一年的花蓮大地震出現在山脈的東後背。而另一方面,中央山脈本身並沒有很多的地震,似乎不太符合堆土機堆雪所做的推測。這種差異是因為山脈受到地熱的影響,愈往深部溫度愈高,通常在地底15公里以下的區域,溫度多已升高到攝氏三百度以上,這時岩層就像燒紅的鋼鐵一般,容易彎折,但不會斷裂。因此,山脈深部的岩層即使有強烈的變形,也不會發生地震,只有山脈表層的岩盤會稍微破裂,產生一些零星的地震。

在隱沒和碰撞作用的主導下,臺灣的地震應運而生。這些作用起源於板塊運動,在過去已經進行了五百萬年,目前仍在進行。只要板塊的運動方式不變,隱沒和碰撞作用持續進行,地震就會不斷發生。這股強大的動力來自於地球內部,不是我們人類微弱的科技力量所能阻擋。我們面對大自然的安排,既不能改變也無法逃避,只有無奈地接受。然而,是否我們就全然束手無策,只能把希望託付神明?

七十五年二月四日,中國東北遼寧省的海城發生一場規模7.3的大地震。地震震垮當地90%的建築物,摧毀了鄰近許多鄉鎮,不過並沒有為三百萬居民帶來嚴重的損傷。一年後,同樣規模的地震襲擊河北省的唐山,不但把唐山市夷為平地,而且造成六十五萬人死亡,五十萬人受傷。何以威力相當的地震,有如此不同的傷亡?原因在於海城地震發生之前,科學家準確地掌握到地震的前兆,適時做了人員的疏散,而唐山地震並沒有預警疏散。

當九二一集集大地震發生時,臺中近郊的車籠埔斷層突然滑動。斷層東面的岩盤向西衝到斷層西面的岩盤之上,在短短一分鐘之間,沿著斷層形成一條100公里長的斷崖。斷崖上的建築物首當其衝,直接被斷層錯移1到8公尺,造成嚴重的損壞。爾後,地震波向四周擴散,在斷層東面的岩盤上引發了強烈的震動,造成嚴重的災情,但斷層西面的岩盤震動較小,災情也相對較輕。

這個慘痛的經驗告訴我們:即使在同一地震的影響下,不同地區的災情也不相同。倘使我們事先了解車籠埔斷層的特性,避免把重要的建築物蓋在斷層線和東面的岩盤上,或許地震的損害就可減輕許多。很可惜地,我們對臺灣的地震雖然有概括性的了解,但對地震何時何地發生並不能確切的掌握。我們可以推測地震斷層大概出現的地方,但對個別斷層的活動性質和產生地震的潛力認識不夠。在未來,如何去指認地震斷層的位置,評估地震的潛能,乃至於預測地震發生的時間、地點及影響範圍,是我們需要努力方向。

隱沒作用

地球是一個外冷內熱的物體,雖然表面的溫度不高,但內部大多在攝氏一千度以上。岩石在這種高溫狀態之下,即使不熔融,也變得相當柔軟,類似又黏又稠的液體,可以緩慢地流動。不過地表的岩層由於溫度較低,質地比較堅硬,形成一層厚約 100 公里的「岩石圈」,蓋在軟弱的「軟流圈」上,岩石圈會隨著地函的環流而不斷移動,並分裂成若干獨立的塊體,稱之為「板塊」。在兩個板塊接壤處,倘若一個板塊向另一板塊下方俯衝時,就形成「隱沒作用」。

由於海洋板塊的比重較大,因此當海洋板塊向下俯衝時,隱沒作用可以持續不斷。如果大陸板塊俯衝時,就會因比重太低而無法下沉,這時隱沒作用就會停止,地表則發生造山運動。在臺灣東北方的琉球地區和南方的呂宋一帶,都有海洋板塊下衝的隱沒作用,但在臺灣島,則因中國大陸的下衝而發生造山運動。

當板塊進入隱沒帶時,會因彎折而下沉,形成一深邃的海溝。沉積物隨著板塊不斷地被拖入隱沒帶,就像礦場中的輸送帶,不停地把礦石載進工廠。一部分的沉積物會被刮起,堆積在海溝的內壁,形成「增積岩楔」;一部分則被帶入隱沒帶深部,在高溫高壓的環境中變質。隱沒板塊同時將水帶入地函深部,促使「軟流圈」產生部分熔融,生成岩漿,當岩漿上升到地表噴發時,就形成火山島弧。因此,在隱沒帶的上方,通常會依序出現一套構造地形單元,包括了火山弧、弧前盆地、增積岩楔和海溝,組合成「島弧系統」。有些島弧的後方會出現一個張裂盆地,稱作「弧後盆地」。

在臺灣南方,歐亞板塊向東南隱沒到菲律賓海板塊之下。隱沒帶上方發展出呂宋島弧系統,有一條完整的火山弧從呂宋島向北延伸,經過蘭嶼和綠島,銜接到臺灣東部的海岸山脈。島弧前端的馬尼拉海溝也可從呂宋島的西方向北延伸,連接到中央山脈的西緣,海溝東緣的增積岩楔則銜接中央山脈。呂宋地區的弧前盆地可以向北追蹤到臺灣的東南外海,再向北,就因碰撞作用而沒入海岸山脈中。

在臺灣東北方,菲律賓海板塊向西北隱沒到歐亞板塊之下,隱沒帶上方形成琉球島弧系統。有一條明顯的火山弧,從琉球延伸進臺灣北部,火山弧的北方有一弧後盆地(沖繩海槽),向西連接到臺灣的宜蘭平原。島弧南緣有琉球海溝和增積岩楔,向西可延伸到臺灣島的東岸。

隱沒帶是一個板塊變形劇烈的地方,也是地震頻繁的地區。就下衝板塊而言,板塊在海溝附近會因彎折而破裂;進入隱沒帶 10~60 公里的深處,板塊頂部的岩層會受到板塊間的摩擦而破碎;當下插到 30~80 公里深度時,板塊的組成礦物會因受壓而產生相變(如石墨變成鑽石),使岩層的體積縮小,因而造成斷裂。這些岩層破裂的過程中往往會產生地震。由於這些地震大體上順著下衝板塊排列,因此,常形成一傾斜的地震帶,從地表延伸到地函深處,稱之為「班尼奧夫帶」。在琉球島弧和呂宋島弧的下方,都有明顯的班尼奧夫帶。

受到俯衝板塊進退的影響,隱沒帶上方的板塊也會隨之破裂,產生地震。如果下衝板塊向前推進,就會擠壓上覆板塊;如果下衝板塊向後回捲,則會拉著上覆板塊退卻,使上覆板塊張裂,產生弧後盆地。呂宋島弧就是位於被推擠的板塊之上,弧前弧後地區都有岩層受壓所產生的地震。琉球島弧是位在被拉張的板塊上,除了弧前有些擠壓破壞外,絕大部分地區都在張裂。

碰撞演化

早在一千萬年以前,臺灣島並不存在,臺灣地區是一片淺海,位於中國大陸邊緣上。當時,菲律賓海板塊遠在臺灣東南方的大洋中,不斷朝北北西方向移動,一方面向北隱沒到中國大陸邊緣之下,另一方面向西仰衝到南海之上。隨著菲律賓海板塊不斷向北北西移動,呂宋島弧也逐漸地靠近大陸邊緣。島弧的北端在一千萬年前左右,開始衝上大陸邊緣,揭開了弧陸碰撞的序幕。

從一千萬到五百萬年前之間,呂宋島弧逐步擠進大陸邊緣。當大陸邊緣被拖入隱沒帶時,大量的陸緣沉積物在海溝被刮起,塞進增積岩楔中,使得增積岩楔愈長愈大。

到了五百萬年前,呂宋島弧的北端衝上了大陸邊緣,並且把增積岩楔推出了海面,形成一座小島。當時島的位置在現今琉球的西表島附近,島上並沒有高山,只有一些丘陵,不過,已經形成碰撞山脈的雛型。 菲律賓海板塊在五百萬年前轉向,開始朝西北方向移動。呂宋島弧因而更加速衝上大陸邊緣,並推著碰撞山脈向西遷移。

在三百萬年前左右,碰撞山脈已上升成高山,規模和現在的中央山脈相當。隨著呂宋島弧持續地衝撞,山脈不斷地向西加寬、向南延伸,終於發展成今日的中央山脈。在碰撞的後期,呂宋島弧的北段也被擠壓抬升,貼附在中央山脈的東側,形成海岸山脈。

當碰撞運動向西南遷移時,琉球島弧下向北隱沒的菲律賓海板塊隨之西進,插入碰撞山脈北端的下方,造成隱沒作用的反轉。隨著隱沒的反轉,隱沒帶上方的山脈出現琉球島弧的火山作用,而山脈失去了碰撞的支撐則開始垮塌下沉,山脈的中央擴張成一裂谷盆地。

如今弧陸碰撞運動仍在運行,並不斷地向南傳遞。在臺灣的東南外海,呂宋島弧北端的綠島和蘭嶼正朝向中國大陸挺進。在臺灣的中南部,碰撞山脈仍在成長,但在臺灣的東北部,隱沒作用已經反轉,碰撞運動停止,原本碰撞所抬升的山脈正在垮塌;山脈的中央分裂成宜蘭平原,並不斷地擴張。

這一系列從碰撞反轉到隱沒的作用,到目前為止並沒有停息的跡象。假以時日,綠島和蘭嶼遲早會登陸臺灣,碰撞山脈還會繼續向西遷移、向南延伸。在另一方面,臺灣東北部的山脈會不斷地垮塌下陷,直到沉入海底;宜蘭平原也可能持續地張裂,最後發展成像沖繩海槽一般寬廣而深邃的海盆。

深度閱讀
  1. 劉聰桂、陳文山(1999)變臉的大地,龍騰文化事業公司出版,臺北。
  2. 經濟部中央地質調查所(2000)九二一集集大地震專輯,中央地質調查所專刊第十二號,臺北。
  3. 鄧屬予(2002)臺灣新生代大地構造:二十世紀臺灣地球科學之回顧,第一冊,頁1-57,中國地質學會,臺北。
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